At the present time, no viable treatment exists for cognitive and olfactory deficits in Down syndrome (DS). We show in a DS model (Ts65Dn mice) that these progressive nonreproductive neurological symptoms closely parallel a postpubertal decrease in hypothalamic as well as extrahypothalamic expression of a master molecule that controls reproduction-gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-and appear related to an imbalance in a microRNA-gene network known to regulate GnRH neuron maturation together with altered hippocampal synaptic transmission. Epigenetic, cellular, chemogenetic, and pharmacological interventions that restore physiological GnRH levels abolish olfactory and cognitive defects in Ts65Dn mice, whereas pulsatile GnRH therapy improves cognition and brain connectivity in adult DS patients. GnRH thus plays a crucial role in olfaction and cognition, and pulsatile GnRH therapy holds promise to improve cognitive deficits in DS.

Abstract Human reproduction is controlled by ∼2,000 hypothalamic gonadotropin-releasing hormone (GnRH) neurons. Here we report the discovery and characterization of additional 150-200,000 GnRH-synthesizing cells in the human basal ganglia and basal forebrain. Extrahypothalamic GnRH neurons were cholinergic. Though undetectable in adult rodents, the GnRH-GFP transgene was expressed transiently by caudate-putamen cholinergic interneurons in newborn transgenic mice. In slice electrophysiological studies, GnRH inhibited these interneurons via GnRHR1 autoreceptors. Whole-transcriptome analysis of cholinergic interneurons and medium spiny projection neurons laser-microdissected from the human putamen confirmed selective expression of GNRH1 and GNRHR1 autoreceptors in cholinergic cells and uncovered the detailed transcriptome profile and molecular connectome of these two cell types. Higher- order non-reproductive functions regulated by GnRH under physiological conditions in the human basal ganglia and basal forebrain require clarification. GnRH/GnRHR1 signaling as a potential therapeutic target in the treatment of neurodegenerative disorders affecting cholinergic neurocircuitries, including Parkinson’s and Alzheimer’s diseases, needs to be explored.